Optische Kommunikationssysteme erweitern ihre Reichweite und Kapazität kontinuierlich. Die ersten kommerziellen Systeme mit 40 Gbit/s sind bereits auf dem Markt, obwohl in verschiedenen Tests Übertragungen von 160 Gbit/s pro Kanal und sogar darüber hinaus demonstriert wurden. Die Messung der Qualität von Hochgeschwindigkeitssignalen erfordert eine Reihe leistungsstarker Instrumente, was eine erhebliche Investition darstellt. Dazu gehören Laborgeräte wie digitale optische Oszilloskope, PRBS-Generatoren und Fehlerratenmesser, optische Spektrumanalysatoren, Impuls-Autokorrelatoren, Frame- und Protokollanalysatoren und vieles mehr. Dieser Artikel konzentriert sich auf BER-Messgeräte und die Grundlagen ihrer Messung.

Fehlerratenmessgeräte.
Fehlerratenmessgeräte dienen primär der Bestimmung der Bitfehlerrate (BER) einer optischen Kommunikationsverbindung. Die Messung erfolgt durch Einspeisung einer Pseudozufallsfolge (PRBS) in den optischen Sender und anschließende Messung der im System aufgetretenen Fehler am optischen Empfänger. Aktuell erreichen diese Geräte Bitraten von bis zu 40 Gbit/s und verfügen typischerweise über optische Ein-/Ausgangsschnittstellen. Komplettlösungen sind kommerziell erhältlich und umfassen eine Reihe von Komponenten wie einen elektronischen PRBS-Generator, ein elektronisches Fehlerratenmessgerät, einen optischen Sender bestehend aus Laser und externem Modulator, Multiplexer/Demultiplexer, einen optischen Empfänger, eine Taktrückgewinnungsschaltung und weitere.
Verschiedene Hersteller bieten entsprechende Lösungen auf dem Markt an.

Abbildungen 1 und 2 zeigen zwei Beispiele für diese Art von Instrumenten. Das erste ist das Agilent ParBERT 45G, das die Generierung von OC-768-Signalen (40 Gbit/s) und die BER-Messung an optischen Systemen und Geräten im Allgemeinen ermöglicht. Es handelt sich um eine hochflexible Plattform, die per Software für jede spezifische Messanforderung konfiguriert werden kann. Zu den neuen Funktionen gehören die Generierung von NRZ-, RZ- und RZ-CS-Signalen, Schleifenmessungen mit Signalimpulsen, die Konfiguration von Schwellenwerten und Abtastpunkten, die Datentaktrückgewinnung und vieles mehr. Das zweite Instrument ist das SHF 50G BERT. Dies ist eine kompakte und skalierbare, ebenfalls softwarekonfigurierbare Lösung, die das Hinzufügen von Modulen nach Bedarf (optische Sender/Empfänger, Taktrückgewinnung usw.) ermöglicht. Es bietet Bitraten von 6 bis 50 Gbit/s mit geringem Jitter (< 500 fs). Zu den neuen Funktionen gehört die Option, einen optischen DPSK-Empfänger hinzuzufügen. Darüber hinaus, und ohne ins Detail zu gehen, wird empfohlen, auch die 48-Gbit/s-Testsysteme von Anritsu (Modell ME7780A) und Rohde & Schwarz (Modell D3691/D3692/D3693) zu konsultieren, die ähnliche Fähigkeiten und Leistungen wie die zuvor genannten bieten.

Grundlagen der BER-Messung:
Bitfehler entstehen durch Fehlentscheidungen des Empfängerschaltkreises aufgrund von Rauschen im digitalen Signal. Bei optischer Zweipegelmodulation (OOK, On-Off-Keying) und Gaußschem Rauschen ergibt sich die Bitfehlerrate (BER) zu …

Es ist definiert als:

Die Bedeutung der einzelnen Variablen wird in Abbildung 3 schematisch dargestellt.
Der optimale Entscheidungsschwellenwert ist derjenige, der die minimale Bitfehlerrate (BER) liefert.

gegeben von:

wobei Q ein Maß für die Signalqualität darstellt, das wie folgt definiert ist:

Dieser Q-Faktor ist allgemein als Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) in Einheiten von Spannung oder Stromstärke bekannt. Er lässt sich auch dann definieren, wenn das Rauschen nicht Gaußsch ist, obwohl im ersteren Fall ein direkter Zusammenhang zwischen Bitfehlerrate (BER) und Q besteht.
Traditionell wird die BER als Funktion des SNR gemessen. Dies ist bei drahtlosen Systemen oder Koaxialkabelsystemen der Fall, wo die dominanten Rauschbeiträge möglicherweise nicht im Empfänger liegen (Quell- oder Kanalrauschen) und das SNR üblicherweise proportional zu Q ist. Im Gegensatz dazu wird bei optischen Systemen die BER als Funktion der mittleren empfangenen optischen Leistung (Prec) gemessen. Unter der Annahme, dass das dominante Rauschen das thermische Rauschen des Empfängers ist und das digitale Signal-Extinktionsverhältnis hoch ist, ist der Q-Faktor proportional zu Prec und das SNR in dB proportional zu Prec in dBm.
BER-Messungen beginnen mit einer Back-to-Back-Konfiguration, die die unabhängige Charakterisierung der Qualität des Empfangsgeräts ermöglicht. Dazu wird der Sender, wie in Abbildung 4(a) dargestellt, über einen variablen optischen Dämpfungsregler direkt mit dem Empfänger verbunden. Bei ausreichend guter Qualität des übertragenen Signals beziehen sich die BER-Messungen somit ausschließlich auf die Leistung des optischen Empfängers. Für jeden Wert der optischen Dämpfung (entsprechend einem Prec-Wert) wird die optimale Entscheidungsschwelle festgelegt und die BER gemessen. Die Empfindlichkeit des Empfängers ist definiert als der Prec-Wert, bei dem eine BER von 10⁻⁹, 10⁻¹⁰ oder 10⁻¹² erreicht wird. Anschließend wird das zu testende System, wie in Abbildung 4(b) dargestellt, eingefügt und die Messungen wiederholt. Falls das System Rauschen oder andere Signalverschlechterungen verursacht, spiegeln sich diese in der BER-Kurve wider. Es ist wichtig zu beachten, dass eine Systemdämpfung die BER an sich nicht verschlechtert, da die BER als Funktion von Prec dargestellt wird. Eine Dämpfung, gefolgt von einem Prozess, der Rauschen hinzufügt (z. B. ein optischer Verstärker), führt jedoch zu einer Verringerung des Q-Faktors und somit zu einer Erhöhung der Fehlerrate. Das heißt, die BER-Kurve verschlechtert sich.

Arten der Degradation

Im Allgemeinen sind BER-Ergebnisse sehr hilfreich, um die Art der im System auftretenden Verschlechterung zu bestimmen und deren physikalische Ursache zu identifizieren. Im Folgenden werden einige Beispiele erläutert. Das Extinktionsverhältnis (ER) eines optischen OOK-Signals ist definiert als das Verhältnis der mittleren optischen Leistungen der Pegel „1“ und „0“. Im Idealfall ist dieses gleich unendlich, da die Leistung des Pegels „0“ null sein sollte. Eine Verschlechterung des ER äußert sich in der BER-Kurve als Verschiebung zu höheren Leistungen, wie in Abbildung 5(a) dargestellt. In diesem Fall kann die Leistungseinbuße, definiert als die dB-Verschlechterung der Empfängerempfindlichkeit, wie folgt berechnet werden:

Dabei ist r = P0/P1, wobei P0 und P1 die mittleren optischen Leistungen der Pegel „0“ bzw. „1“ darstellen. Beispielsweise ergibt sich bei einem ER von r = 0,1 (10 dB) eine Leistungsdämpfung von 0,87 dB.
Ebenso trägt das ASE-Rauschen der optischen Verstärker einer Verbindung zur Verschlechterung der BER-Kurven bei. Zum einen erhöht die mittlere ASE-Rauschleistung den Pegel „0“, was zu einer Verschlechterung des ER und einer Verschiebung der BER-Kurve führt. Zum anderen verschlechtert dieses ASE-Rauschen das Augendiagramm, sodass eine Erhöhung der empfangenen optischen Leistung die Signalqualität nicht verbessert. Die Folge ist das Auftreten einer Hintergrund-BER, unterhalb derer das Signal nicht mehr reduziert werden kann. Dieser Effekt ist in Abbildung 5(b) dargestellt.

Schließlich führt auch die Intersymbolinterferenz (ISI) zu einer Verschlechterung der Bitfehlerrate (BER) (Leistungsverlust und/oder Auftreten eines BER-Hintergrunds). Dies kann verschiedene Ursachen haben (chromatische Dispersion, Nichtlinearitäten usw.). Eine alleinige Analyse der BER-Kurve reicht jedoch nicht aus, um die Ursache des Problems zu ermitteln; weitere Messungen, wie z. B. Augendiagramme, sind erforderlich. In diesem Fall lässt sich ISI anhand der Abhängigkeit der BER-Kurve vom PRBS-Muster identifizieren. Dazu sollten Vergleichsmessungen mit PRBS-Mustern von 27-1 bis 231-1 und sogar mit dem Muster „0101…“ durchgeführt werden.

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Gültigkeit der Messungen:
Da die Bitfehlerrate (BER) eine deutliche statistische Komponente aufweist, ist es notwendig, ein gewisses Maß an Vertrauen in die Messungen sicherzustellen. Folgender Ausdruck kann als statistischer Schätzer verwendet werden:
wobei ne die Anzahl der Fehler und Nb die Gesamtzahl der Bits (ausreichend groß) ist. Unter der Annahme unabhängiger Fehler ist die statistische Verteilung binomial. Um mit diesen Daten ein Konfidenzniveau von 95 % zu gewährleisten, müssen insgesamt 100 Fehler beobachtet werden. Dies entspricht etwa 3 Sekunden bei 40 Gbit/s für 10¹¹ Bit (BER = 10⁻⁹) und etwa 7 Stunden für 10¹⁵ Bit (BER = 10⁻¹²).
Leider weisen einige Systeme korrelierte Fehler auf, am häufigsten das Auftreten von Fehlerspitzen, die durch externe Schwankungen verursacht werden. Das heißt, über einen längeren Zeitraum wird eine relativ niedrige Fehlerrate beobachtet, die dann infolge einer Fehlerspitze plötzlich erheblich ansteigt. Um in solchen Fällen zuverlässige Messergebnisse zu gewährleisten, ist es notwendig, die Ursache des Fehlers zu isolieren und die Bitfehlerrate (BER) während des fehlerfreien Zeitraums zu messen. Alternativ kann ein ausreichend langes Zeitintervall gewählt werden, um eine statistisch signifikante Anzahl von Fehlerereignissen zu erfassen. Messgeräte verfügen typischerweise über Fehlerintervallzähler, die diesen Prozess unterstützen.
Kurz gesagt: BER-Messungen erfordern ein systematisches Vorgehen, um Genauigkeit zu gewährleisten. Glücklicherweise bieten moderne Messgeräte große Vielseitigkeit sowie eine breite Palette an elektrischen und optischen Anschlussmöglichkeiten und Schnittstellen, was die Entwicklung und Überwachung optischer Kommunikationssysteme und -netze vereinfacht.

Weitere Informationen oder ein Angebot

Francisco Ramos Pascual, Doktor der Telekommunikationstechnik

Ordentlicher Professor an der Polytechnischen Universität Valencia